Wlan差错控制的制作方法

专利名称：Wlan差错控制的制作方法
技术领域：
本发明一般而言涉及一种数据传输协议，尤其涉及用这种数据传输协议减少由于加扰器种子值传输错误而产生的错误传播，其中在该协议中的高层上将差错控制代码增加到消息中，同时在该协议中的较低层上执行在传输之前的消息加扰，并且被用来启动加扰器的种子在传输之前被添加到加扰消息中。
背景技术：
数据通信系统经常用术语“协议栈”来描述，该协议栈将操作该系统所需的任务序列分为逻辑上相关的被称为“层”的组。在概念上，较高层具有较高层次的抽象；例如用户应用在最高层，而在最低层上电路负责例如通过空中接口或通过铜线传输数据。
这种协议栈的一个例子是如在

图1中以简化形式表示的802.11无线LAN(WLAN)标准。802.11协议栈被分为MAC(媒体访问控制)层和PHY(物理)层。在发送时，MAC层从上层获得消息，添加寻址和检差错消息，检查无线媒体是空闲的，以及将扩展的消息传递给PHY层。PHY层将数据格式化以用于传输，增加PHY特定的信息(例如前同步和传输速率信息)，对数据进行调制并将其发送到天线上。在接收机处，PHY层接收传输的数据，利用PHY特定的信息，并将MAC层消息传递给MAC层。这里，检查所接收的消息中的差差错，并且如果该消息被寻址到所考虑的设备，则数据被向上传递给较高层。
这种分成单独层的逻辑组织的一个优点是在能够增加或增强各个层特定的功能，同时保持与系统中其它层的兼容性，并且能够实现不同的物理层。例如，最初的802.11 WLAN标准定义通过无线电或红外线链路工作的物理层，而增强802.11标准的802.11a在无线电链路上提供了更高速率的数据传输(高达54Mbp/s)。在MAC层，802.11e草案标准提供了对基本的802.11 MAC协议的许多改进，以支持更好的吞吐量、对数据传送更好的调度以及防止传输差错的增强保护。
虽然分离成协议层在逻辑结果和可扩展性方面具有很大的优点时，但是，由于不同层中的功能之间的交互作用可能出现某些缺点和问题。这样的一个例子出现在对利用802.11a高速率PHY的链路应用802.11e MAC层前向差错控制时。
常规的802.11 MAC层为消息序列预先考虑包含寻址和控制信息的32个八位字节的MAC报头，并且将4个八位字节的“帧检验序列”添加到消息中，该“帧检验序列”是能被用于检测传输数据中几乎所有可能的差错的32比特循环冗余检验值。在图2略述了该结构。
在802.11e草案标准中使用的前向差错控制(FEC)系统基于里德-所罗门(Reed Solomon)编码，其将所传输的消息分成208个或更少的八位字节的块，为每个块添加16个八位字节的差错控制代码。这通过以下方式来完成，即对不知道802.11e的设备来说产生的帧作为常规的802.11 MAC帧出现所有的FEC信息包含在帧主体中，并且像针对标准802.11一样预先考虑并添加MAC报头和FCS，这允许解释地址信息和为正确的传输进行检验。在帧主体中，增加了16个八位字节FEC字段以保护MAC报头，同时数据被分成208个八位字节的块，其由16个八位字节的FEC字段保护。通过MAC报头和消息计算出来的帧检验序列被添加到数据的最后一个块。这内部的“FEC FCS”能被用于最后确认差错纠正能成功地纠正传输中引入的差错。所使用的编码能够纠正每个224个八位字节的数据和FEC块中高达8个八位字节，并因此提供相当强的防止传输差错的保护。
802.11a高速率PHY层提供在5GHz无线电波段中工作的高达54Mbps的数据率。802.11g草案PHY标准在2.4GHz无线电波段使用基本上相同的调制格式，因而这里所讨论的问题在设法受益于MAC层FEC时适用于大多数新的IEEE 802.11 WLAN设备。
802.11a PHY层获取MAC层帧，并且执行数据的加扰以便使所传输的调制序列的特性独立于正被传输的消息。在802.11a标准中规定的加扰器电路在图3中示出了并且由线性反馈移位寄存器(LFSR)构成，该线性反馈移位寄存器的输出与输入数据进行异或运算。所产生的序列由延迟单元D1-D7的初始状态唯一地定义，该初始状态被称为加扰器的种子值。该标准定义了针对所传输的每个消息该种子值应被设定为伪随机非零状态。
在接收机处，必须将相同的种子值载入延迟单元。于是相同的序列能够在接收机处产生并且与输入数据流进行异或运算，从而恢复出原始数据。为了使这成为可能，为消息预先考虑7个零比特的序列(接着有9比特，预留这9个比特以用于标准将来的补充)。预先考虑的整个16比特字段被称为服务字段。由于已知原始数据初始的7比特为零，所以可以从所传输的序列中推断出加扰器的初始状态。
明显地，设计的纠正功能取决于成功地接收这7个比特以便能够正确地初始化加扰器。如果加扰器没有被正确地初始化，则由于将产生差错的序列而随后的整个消息将被破坏。在制定最初的802.11a标准时，没有建议在MAC层中进行纠错，所以这种差错的传播是不重要的任何差错都将意味着该消息将被丢弃。然而，当尝试实现MAC层纠错时，该差错传播严重限制了纠错水平，该纠错水平可以是中等直至高的信噪比。根本地，帧必须被丢弃的概率变成由在7比特加扰器初始化序列中有一个或更多比特差错的概率来支配，而不是由在不能被纠正的数据中具有差错的概率来支配。
在图4中用图形示出了这些差别，其中连续的线示出了在假设比特差错相互独立的情况下对于给定的基础(underlying)误比特率在一个给定224块中出现多于8个八位字节差错的概率(即FEC故障概率)。虚线示出了在加扰器初始化字段中出现一个或更多差错的概率(加扰器故障概率)。显而易见，在基础误比特率高于约10-2.7时，FEC故障(在任意给定的224个八位字节FEC块中多于8个八位字节差错)的可能性大于在7比特加扰器差错中有一个差错的概率。然而，当基础误比特率降低时，理论上利用FEC产生的分组差错率应迅速地变得很小，当由于解解扰器的差错传播问题，这不会发生。
在典型的期望MAC层前向纠错的应用中，例如音频和视频数据流分配中，可容忍的误比特率通常很低。FEC系统的理论性能和由加扰器差错传播引起的限制之间的差异意味着必须接受更高的发射功率或更小的范围以在这些情况下保持给定水平的性能。
为了在802.11e MAC层草案标准的范围内有效，该问题的任何解决方案必须与实现802.11a PHY标准的其它设备完全兼容。不知道802.11e的设备能够解释802.11 MAC报头和FCS字段也是我们所期望的，802.11 MAC报头和FCS字段是在目前802.11e FEC MAC帧结构中所保持的特性。
一种已知的解决方案是利用在PHY服务字段的预留部分中传输的比特、根据加扰器初始化比特计算差错控制比特(例如通过利用[11，7]汉明码(Hamming code)增加4比特)。
第二种解决方案是以较低数据率发射较不易受差错影响的服务字段(加扰器初始化数据)，而为分组的消息部分切换到较高数据率。
然而有一些与上述解决方案相关的问题。
第一种解决方案需要使用一些比特，其被规定作为802.11a PHY层标准中预留的比特，从而需要改变标准。
第二种解决方案也需要改变802.11a PHY层标准，因为其目前不支持以不同的传输速度传送服务字段。
因此，需要一种在现有标准中有效的、用于减少或限制由于不正确地传输种子值而产生的传输差错的方法。
发明概述上述问题能够通过在发射机和接收机中使用约定的加扰器种子产生算法而大大减缓。由于所传输的消息可能被破坏或丢失，所以必须能够使接收机中的种子产生过程和发射机中的种子产生过程同步。这种要求能够通过使用一种算法来满足，在该算法中来自种子产生算法的下一个值由当前值(例如通过使用具有发生器本原多项式的7比特LFSR伪随机序列发生器)和/或从消息内容唯一地确定，然后允许从正确接收的分组中确定当前值。该种子产生方法与802.11a标准完全兼容。
本发明是一种无线通信网或系统中的方法或设备，通过该方法或设备，由于加扰器种子值的不正确传输而产生的差错能够被极大地减少。该方法不需要改变802.11a PHY层标准或802.11e FEC MAC帧结构，如此处所描述的。通过在发射方和接收方采用已知的伪随机种子产生算法，能够消除在单个发射方/接收方传输对之间的加扰器种子传输差错，除非两个连续的帧都没有正确接收。该方法被扩展以涵盖多个不同的发射机能与单个接收机进行通信的情况，并且给出了在802.11e接入点和终端适配器中实现该方法的实例。
本发明的主要优点是本发明大大减缓了由于利用MAC层前向纠错传输加扰器种子值而产生的问题，同时不需要改变PHY层并且保持与装备有旧的802.11 MAC的设备的兼容性。种子值搜寻的可能复杂度对移动终端而言明显低于对接入点而言的复杂度，这是期望的特性，因为与接入点相比移动终端具有更严厉的功率和成本限制。搜寻的种子值的数量被限制于利用MAC层FEC发射的设备数与所使用的接收机地址的总数的乘积，而不是被限制于系统中发射机的总数。
与需要对数据进行预编码和后编码(postcoding)的解决方案相比，第二个优点是该方法的实现和其实现的程度可以是可选的。而且，利用该方法在复杂度和性能之间可以有很大程度的平衡。
附图简述下面将参考附图更详细地描述本发明，其中图1示出了802.11 WLAN协议栈的一个示意性的实例。
图2示出了802.11和802.11e FEC MAC帧格式。
图3示出了一个示意性的802.11a PHY加扰器。
图4示出了由于加扰器故障和FEC故障的分组差错概率。
图5示出了根据本发明在单个发射装置和单个接收装置之间的通信链路的一个实施例的示意性结构。
图6示出了根据本发明在通信链路中的方法的示意性流程图。
图7示出了802.11 WLAN小区(BSS)的一个实例。
图8示出了根据本发明的通信系统的一个实施例的示意性结构。
图9示出了根据本发明的通信系统中的方法的示意性流程图。
发明描述图5示出了一种用于实现本发明的可能的实施例。该实施例涉及一个发射装置1和一个接收装置2的通信链路的情况。在发射装置1处，由种子发生器为在Tx数据上发送的每个新消息产生一个新的加扰器种子值，并且该种子值被用于初始化发射装置1的PHY层中的加扰器种子值。在接收装置2处，在Rx数据上接收消息，并且Rx种子被设置为在接收机PHY中推断出来的加扰器种子的值。然后根据图6中的示意性流程图进行在接收装置2的Rx MAC层内执行的算法。
根据本发明方法的第一步骤是检查所接收数据中不可纠正的差错、即没有被FEC纠正的差错。进行检查的一种方法是利用所谓的外部FCS值检查初始差错，尝试利用里德-所罗门FEC信息纠正任意的差错，并且通过利用内部FEC FCS值检查是否保持了任意的差错。
如果没有差错，或差错能够被纠正，则接收到的种子值可以被看作是正确的。于是，在接收装置2处的本地种子值可以被设置为接收到的种子值，并且可以产生在接收装置2处的序列中的下一个本地种子值。
如果有不可纠正的差错，则这些差错是由接收到的种子值中的差错引起的和/或由超过里德-所罗门编码的纠错能力负荷的随机传输差错引起的(意味着不管加扰器种子值是否正确都不能恢复分组)。
在尝试从Rx种子中的差错恢复时，接收装置2假设当前保持的本地加扰器种子值与发射装置1正确地同步。从Rx种子产生的加扰序列和由本地种子值产生的加扰序列之间产生差异，并且该差异与数据序列进行异或运算。假设本地种子值是正确的，这产生纠正由Rx种子中的差错引入的差错的更新序列。
然后接收装置2的MAC层可以例如利用与用于检测原始接收数据的方法相同的方法检查该更新数据值是不是没有不可纠正的差错。如果结果没有差错，则本地种子值可以被看作是正确的并且可以在接收装置2处产生种子值序列中的下一个本地种子值。
如果第二阶段的结果不正确，则该消息由随机传输差错所破坏，或者本地种子值丧失与发射装置1的同步(这只可能发生在从发射装置1没有接收到消息时，或者来自发射装置1的直接在前的消息被丢失或破坏)。
该系统可以根据2状态的马尔可夫链过程进行建模，因为给定消息中的差错概率只取决于前一个消息是否出错(从而导致在接收机处的本地加扰器种子值无效)。这种分析表明所建议的方法提供了与FEC系统没有加扰器传播差错的理想性能具有可以忽略的差别的性能。
在许多实际的通信系统或网络中，接收装置1必须处理来自多于一个发射装置2的传输的可能性。而且，发射装置1必须处理发射到多个接收装置2和/或与每个接收装置2有关的多个接收地址的可能性。这种通信系统的一个典型实例是如图7所示的802.11 WLAN系统。在一个WLAN小区(被称为基本服务组或BSS)中，许多移动终端保持与中央接入点或AP的接触，并且所有的业务从接入点发送或由接入点接收，该接入点担当用于使消息从一个移动终端到另一个移动终端的路由器。802.11e草案建议通过允许侧链路(sidelink)而对这进行扩展，其中移动终端能够请求接入点许可直接建立到另一个移动终端的通信。
在这种更一般的情况下，必须与每个进行通信的终端保持同步的种子产生算法。
在下述情况下，这是可能的，即，如果在发射装置1处单独的种子产生过程与数据被发送到的每个接收地址相关，并且在每个接收装置2处和对于与该接收装置2相关的每个接收地址而言，单独的种子产生过程与每个发射地址相关。在接收装置2处必须克服的困难是在已正确地接收消息(包括报头信息)之前可能不知道发射地址。在这种情况下，必须在接收装置2处把可得到的本地种子值都仔细搜寻一遍，直到找到一个允许正确地解扰码消息的种子值或者搜寻已穷尽。
另一种可能实现本发明的实施例在图8中示出。该实施例涉及一种无线通信系统，其包括具有相关的发射地址的至少一个发射装置1和具有至少一个相关的接收地址的至少一个接收装置2。
在发射装置1处，如此为每个被发射的消息提供或存储所谓的状态信息，使得发射装置1可以产生与每个接收地址相关的种子值序列。同样，在接收装置2处，如此为每个所接收的消息提供状态信息，使得接收装置2可以产生种子值序列，其中每个这样的序列与发射地址和接收地址的唯一组合相关。
在从发射装置1发射消息以前，检测所存储的状态信息、例如接收地址/种子值对，以查看是否存在与目的地接收装置2相关的加扰器种子值。如果存在这种状态信息，则利用该种子值为即将到来的传输初始化发射地址的PHY层中的加扰器种子值。如果不存在录入项，则可以利用任何兼容PHY层的值。在接收装置2处，在Rx数据上接收消息，并且将Rx种子设置为在接收装置2的PHY层中推断出的加扰器种子值。然后根据图9中的流程图进行在接收装置2的Rx MAC中执行的算法。
像以前一样，在接收装置2处的第一步骤是检查接收到的数据或消息中的不可纠正的差错。如果没有差错，或差错能够被纠正，则接收到的种子值能够被看作是正确的。接收到的消息的MAC报头包含发射装置1的地址和消息计划到达的接收装置2的地址。如果消息打算供与接收装置2的MAC层相关的接收地址之一使用，并且是利用FEC发送的，则可以由接收装置2中的本地种子发生器产生新的种子值，并且将该新的种子值写入状态信息存储器，其中该状态信息与发射地址和接收地址相关。如果不打算由接收装置2的MAC层接收消息，则可以丢弃该消息，而无需进一步的动作。
如果有差错，则假设是解扰差错并且尝试检索以前存储的解扰器种子值，该种子值允许正确地接收数据。如果检索到这种种子值，则该种子值能够被看作是正确的，并且能够从消息中的MAC报头读取发射和接收地址。如果消息不打算供与该接收装置2的MAC层相关的接收地址之一使用，则可以丢弃该消息并且不采取进一步的动作。如果消息是利用FEC发送的，并且打算供接收装置2的MAC层使用，则在接收装置2处通过本地种子发生器产生新的种子值，并且发射装置1的地址和接收地址被用于将该新的种子值写入状态信息存储器。通过使本地存储的种子值与这些地址相关联，可以保持多个发射装置1和由每个接收装置2的MAC层实现的多个接收地址(例如用于单播和广播业务的地址)的同步。
如果在接收装置2处的状态信息存储器中的所有种子值都被穷举，或因不能接收到消息的另一原因(例如时间不够)而必须停止搜寻，则丢弃该消息。
其中执行对种子值存储器的穷举搜寻，该方法具有与只考虑单个发射机和接收机情况下相同的分组差错概率。然而，在实际系统中由于时间或能被专门用于搜寻的处理资源数量的限制可能不能进行穷举搜寻。通过首先尝试纠正MAC报头中的差错可以使处理工作最小化，并且丢弃任何接收地址与该接收机的地址不匹配的消息。一种更智能的搜寻策略还可以通过利用系统的知识和包含在MAC层中的信息以及通过首先尝试与所接收的种子值具有最小非零逐位差的所存储的种子值来制定。
这里将考虑两种这样的搜寻策略，一种策略针对WLAN小区中的接入点，以及一种策略针对移动终端。
在常规的802.11 WLAN小区中，传输的调度主要通过在发射之前进行监听并且在每个终端处利用随机退避来执行。这意味着接入点(AP)必须能够从任何移动终端接收传输，该移动终端是小区中在接入点处注册的(和接入点相关的)。在802.11e草案标准中，除了引入MAC层纠错之外，定义了更先进的中央控制的调度机制，其中对于所有业务中的一部分，由AP给予发射的机会(所谓的TXOP)。该中央调度的业务对音频和视频传输来说最感兴趣，该音频和视频传输是MAC层FEC所瞄准的应用。
在TXOP期间，AP知道任何接收的目的地为它的传输(上行链路)将来自已被给予TXOP的移动终端，因此能够检索与已知发射机地址有关的合适的种子值。对于随机访问(基于争用的)业务，AP不了解发射机，如果AP没有参加识别发射机的帧交换序列(例如当已出现“请求发送”/“清除发送”交换时)，就必须执行基于种子值的搜寻。
当根据802.11e草案标准操作时的附加帮助是不总是必需发送确认帧(对利用FEC的音频/视频流来说尤其普通)，以及在其他情况下可以安排延迟确认。这意味着对搜寻的定时限制由允许的消息传送率的抖动(jitter)所限定，而不是由基本802.11中的短的确认时间周期所限定。
对于移动终端而言，识别正确的种子值的任务明显较容易，因为大多数接收的业务来自接入点(下行链路)在基本802.11标准中所有发送给BSS小区中的移动终端的业务都来自接入点。
802.11e草案标准引入在移动终端之间进行直接通信(所谓的侧链路)的可能性。这意味着在移动终端处的接收机必须考虑不同于AP的发射机地址的可能性。然而，侧链路的数量可能比BSS中站的总数少很多，并且大多数利用FEC的侧链路将在AP调度的TXOP环境中被发射，这允许接收移动终端提取识别出发射机地址。
当在AP调度的TXOP之外接收到消息时，智能的搜寻策略将首先尝试与AP发射地址有关的种子值，或者根据在不同链路上接收到的FEC业务的比例应用某些形式的加权。
所建议的方法可应用于任何无线数据通信系统，其中在由发射装置进行加扰之前应用前向差错控制，其中加扰种子值中的传输差错引起接收装置2中的解扰器破坏所传输的消息并且超过前向差错控制系统的纠错能力的负荷。
权利要求
1.一种用于限制无线通信网中由于加扰器种子值传输差错而产生的差错传输的方法，所述无线通信网包括至少一个发射装置1和至少一个接收装置2，其中每个发射装置1具有相关的发射地址并且每个接收装置2具有至少一个相关的接收地址，其中每个发射装置1对所发射的消息应用前向纠错编码，之后对所述消息加扰，并且从种子值产生加扰，并且用这样一种方式来构造每个发射消息，使得在接收到的消息无差错的情况下能够在接收装置2处推断出所述种子值，其特征在于以下步骤-在发射装置1处用这样一种方式给从所述发射装置1处发射的每个消息提供状态信息，使得所述发射装置1能产生与每个接收地址相关的种子值序列，-在接收装置2处用这样一种方式给每个接收到的消息提供状态信息，使得所述接收装置2能产生种子值序列，每个序列与发射地址和接收地址的唯一组合相关，-所述发射装置1尝试检索关于与所述接收设备2相关的接收地址的状态信息，-如果所述发射装置1不能检索到状态信息，则通过任意的方法产生这种状态信息，以便为待发射的消息产生一个新的种子值，-如果可由所述发射装置1检索到状态信息，则所述信息被用来初始化第一种子产生算法以便为待发射的消息产生一个新的种子值，并且由所述算法更新所述信息，-将由所述新的种子值初始化的加扰算法应用于所述待发射的消息，从而创建加扰的消息，-从所述发射装置1发射所述加扰的消息，-在所述接收装置2处接收所述加扰的信息并根据从所接收的消息中推断出来的种子值对其解扰，-检查所接收的解扰后的消息中没有被前向纠错编码纠正的差错，-利用接收到的没有差错的消息使所述接收装置2中的第二种子产生算法与所述发射装置1中的所述第一种子产生算法同步，-利用所述接收装置2中的当前本地种子值尝试纠正解扰后的消息中由未正确接收的种子所引起的差错。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收装置2执行在所述接收装置2处的每个种子序列的一些或全部当前本地种子值的搜寻，并且利用每个这种来自所述搜寻的种子值来尝试正确地接收消息。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，如果在尝试纠正解扰后消息中由未正确接收的种子所引起的差错之后消息无差错，则利用所述接收装置2中的所述当前本地种子值使所述接收装置2中的所述第二种子产生算法与所述发射装置1中的所述第一种子产生算法同步。
4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，当正确地被同步时，在所述发射装置1处的所述第一种子产生算法与所述接收装置2处的所述第二种子产生算法产生相同的种子值序列。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述发射装置1处至少从当前种子值确定所述种子值序列中的下一个种子值。
6.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，使在所述发射装置1处的所述第一种子产生算法移动到在所述发射装置1处的所述种子值序列中的下一个种子值，并且针对每个发射消息的所述接收地址更新状态信息。
7.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，使在所述接收装置2处的所述第二种子产生算法移动到在所述接收装置2处的所述种子值序列中的下一个种子值，并且针对每个被正确接收的消息的所述发射和接收地址更新状态信息。
全文摘要
本发明是一种无线通信网中的方法，通过它可以极大地减少由于不正确传输的加扰器种子值而产生的差错。这通过以下方式来实现，即在至少一个具有相关的发射地址的发射装置1处和至少一个具有至少一个相关的接收地址的接收装置2处都利用已知的伪随机种子产生算法，可以减少由于不正确传输的加扰器种子值而产生的差错。
文档编号H04L12/28GK1675883SQ03815658
公开日2005年9月28日 申请日期2003年5月23日 优先权日2002年7月4日
发明者M·路易斯 申请人:因芬尼昂技术股份公司